Un gruppo di nuovi materiali intelligenti scoperti dai ricercatori della Texas A&M University e dai loro colleghi ha il potenziale per migliorare significativamente l'efficienza del consumo di carburante nei motori a reazione, tagliando il costo del volo. I materiali, che potrebbe anche ridurre il rumore degli aerei nelle aree residenziali, avere applicazioni aggiuntive in una varietà di altri settori.

"Ciò che mi entusiasma è che abbiamo appena scalfito la superficie di qualcosa di nuovo che potrebbe non solo aprire un campo completamente nuovo di ricerca scientifica, ma anche abilitare nuove tecnologie, " ha detto il dottor Ibrahim Karaman, Professore Chevron I e capo del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università.

L'opera è stata pubblicata in Scripta Materialia . I coautori di Karaman sono Demircan Canadinc, William Trehern, e Ji Ma del Texas A&M, e Fanping Sun e Zaffir Chaudhry, Membro tecnico del United Technologies Research Center (UTRC).

La scoperta si basa sull'unione di due aree relativamente nuove della scienza dei materiali che coinvolgono le leghe metalliche, o metalli composti da due o più elementi. La prima area riguarda le leghe a memoria di forma, materiali "intelligenti" che possono passare da una forma all'altra con specifici trigger, in questo caso temperatura. Immagina un'asta di metallo dritta piegata in un cavatappi. Modificando la temperatura, il cavatappi torna ad essere una canna e viceversa.

Molte applicazioni

Molte potenziali applicazioni per le leghe a memoria di forma coinvolgono ambienti estremamente caldi come un motore a reazione funzionante. Fino ad ora, però, leghe economiche a memoria di forma per alte temperature, (HTSMA), hanno funzionato solo a temperature fino a circa 400 gradi Celsius. L'aggiunta di elementi come oro o platino può aumentare significativamente quella temperatura, ma i materiali risultanti sono troppo costosi, tra le altre limitazioni.

Karaman, mentre lavoravo a un progetto della NASA con UTRC e colleghi, ha iniziato questa ricerca per affrontare un problema specifico:il controllo del gioco, o spazio, tra le pale della turbina e la cassa della turbina in un motore a reazione. Un motore a reazione è più efficiente in termini di consumo di carburante quando lo spazio tra le pale della turbina e il case è ridotto al minimo. Però, questo gioco deve avere un margine equo per far fronte a condizioni operative particolari. Gli HTSMA incorporati nella cassa della turbina potrebbero consentire il mantenimento della distanza minima in tutti i regimi di volo, migliorando così il consumo di carburante specifico di spinta.

Un'altra importante potenziale applicazione degli HTSMA è la riduzione del rumore degli aerei quando entrano in un aeroporto. Gli aerei con ugelli di scarico più grandi sono più silenziosi, ma meno efficiente nell'aria. Gli HTSMA potrebbero modificare automaticamente le dimensioni dell'ugello di scarico del nucleo a seconda che l'aereo sia in volo o atterra. un tale cambiamento, innescato dalle temperature associate a queste modalità di funzionamento, potrebbe consentire un funzionamento più efficiente in volo e condizioni più silenziose all'atterraggio.

Karaman e i suoi colleghi hanno deciso di provare ad aumentare le temperature di esercizio degli HTSMA applicando i principi di un'altra nuova classe di materiali, leghe ad alta entropia, che sono composti da quattro o più elementi mescolati insieme in quantità approssimativamente uguali. Il team ha creato materiali composti da quattro o più elementi noti per formare leghe a memoria di forma (nichel, titanio, afnio, zirconio e palladio), ma ha volutamente omesso l'oro o il platino.

"Quando abbiamo mescolato questi elementi in proporzioni uguali, abbiamo scoperto che i materiali risultanti potevano funzionare a temperature ben oltre i 500 gradi C - uno funzionava a 700 gradi C - senza oro o platino. Questa è una scoperta, " ha detto Karaman. "E 'stato anche inaspettato perché la letteratura ha suggerito diversamente."

Come funzionano i nuovi materiali? Karaman ha detto di avere idee su come operare a temperature così elevate, ma non hanno ancora teorie solide. A quello scopo, il lavoro futuro include il tentativo di capire cosa sta succedendo su scala atomica conducendo simulazioni al computer. I ricercatori mirano anche a esplorare modi per migliorare ulteriormente le proprietà dei materiali. note di Karaman, però, che restano molte altre domande.

"Ecco perché credo che questo potrebbe aprire un'area di ricerca completamente nuova, " ha detto. "Mentre continueremo i nostri sforzi, siamo entusiasti che altri si uniranno a noi in modo che insieme possiamo spingere i confini della scienza".